ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2007, том 41, № 4, с. 283-288
РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ
УДК 5372222+537.311.32
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОНА В ЛОКАЛЬНОМ ОБЪЕМЕ
© 2007 г. Л. Я. Бубнов
Филиал Института энергетических проблем химической физики Российской академии наук 142432, Московская обл., Черноголовка, просп. Академика H.H. Семенова, 1
E-mail: bubnov@binep.ac.ru Поступила в редакцию 08.07.2004 г. После доработки 20.01.2005 г.
Использование диэлектрического подхода, предложенного Таммом и Франком, позволяет с единой позиции с учетом интерференции описать состояния электрона как в макроскопических объемах, так и на больших орбитах водородоподобного атома. Результатом этого рассмотрения является объяснение существования больших ридберговских орбит в конденсированной среде. В то же время "сшивка" макроскопического и микроскопического дает возможность использовать результаты описания одних для изучения других. В частности, признаком уменьшения потерь энергии электроном в интерференционном состоянии является сужение линии потерь, а полное отсутствие потерь энергии электроном возможно при наложении на интерференционные условия еще одного независимого условия - пространственного разрешения размера движущегося заряда.
В настоящей статье предлагается подход для описания интерференционных эффектов, влияющих на энергообмен электрона со средой в случае, когда его движение в конденсированной среде локализовано в пределах трехмерного макроскопического объема вследствие ее пространственной неоднородности. Эта работа является звеном в цепочке исследований по энергообмену нерелятивистского электрона со средой при наличии пространственной неоднородности, проведенных автором совместно с Е.Л. Фран-кевичем и относящихся к изучению фундаментальных процессов химии высоких энергий. Сам термин "энергообмен" вместо привычного термина "потери энергии" введен авторами в связи с необходимостью включения в процесс взаимодействия поляризационной "шубы" электрона, которая может накапливать значительную энергию и регулировать характер движения электрона в среде [1].
До сих пор авторами рассматривался случай, когда пространственная неоднородность макроскопической среды носила одномерный характер. В этом случае интерференция продольного электрического поля, возбуждаемого избыточным электроном и воздействующего на сам электрон, приводит к существенному (в несколько раз) изменению скорости потерь энергии электроном. Результат принципиальный, так как всегда пробеги для данного вещества и энергии электрона считались характерными постоянными, табулируемыми константами. Очевидно, что наличие интерференции в случае трехмерной неоднородности также должно изменять характер взаимодействия электрона с конденсированной средой.
Толчком к проведению подобного рассмотрения послужили результаты работ [2, 3], в которых рассматривалось энергетическое состояние электрона вблизи геминального иона в конденсированной органике как большие ридберговские орбиты (размером ~8 нм). С другой стороны, исследователями геминальной рекомбинации в аналогичных средах школы Франкевича-Яковлева развит диффузионный подход к движению электрона в поле иона в геминальной паре. Очевидно, что упорядоченное состояние электрона на орбите в первом случае и неупорядоченное, случайное блуждание, сопровождаемое смещением электрона в поле геминального иона во втором случае принципиально разные состояния. В связи со сказанным следует также упомянуть результаты работы [4] по измерению пробегов вторичных электронов вблизи границы вещества при исследовании вторичной электронной эмиссии конденсированной органики. В этом случае пробеги электронов (энергия 0.1-3 эВ) хотя и были несколько выше (~8 нм), но не давали основания для безоговорочного принятия предположения о существовании больших ридберговских орбит (Б-орбит).
Возникал вопрос, почему на больших орбитах в конденсированной среде, которые являются квазиклассическими, отсутствуют или в значительной мере подавлены потери электрона на возбуждение продольных фононов? Ведь в этом случае движение электрона можно рассматривать в первом приближении как классическое с кинетической энергией, соответствующей орбитальному движению, а потери энергии электрона, сопровождаемые переходом на соседние орбиты,
283
3*
много меньше его кинетической энергии. Действительно, при радиусе орбиты ~8 нм кинетическая энергия электрона равна ~4 х 10-2 эВ, расстояние между уровнями ~1 х 10-2 эВ, а средняя энергия фононов, соответствующая температуре в эксперименте, равна 0.7 х 10-2 эВ. Казалось бы, в согласии с диффузионным подходом, должно происходить эффективное рассеяние электрона. Механизмом, стабилизирующим электрон на орбите, может быть интерференционный эффект. Однако в силу трехмерного характера неоднородности, вызываемой геминальным ионом, нужно было найти подход для учета интерференционного эффекта.
Прежде всего следует отметить, что диэлектрическая теория потерь энергии электроном описывает отдельный элементарный акт взаимодействия электрона со средой [1]. Боле того, даже при энергиях, сравнимых с энергией возбуждения, вид спектра потерь существенно не изменяется [5]. Диэлектрический подход справедлив для всех типов возбуждений, дающих вклад в продольную диэлектрическую проницаемость. Часто же выдвигаемое условие значительности кинетической энергии электрона по сравнению с квантом возбуждения просто делает удобным последующее описание потока частиц.
Таким образом, в качестве базового механизма уменьшения потерь энергии электроном на Б-орби-тах в конденсированном веществе был выбран механизм уменьшения потерь энергии электроном в тонких пленках макроскопических размеров вследствие интерференции поля, создаваемого движущимся электроном и описываемого в рамках диэлектрического подхода Тамма-Франка [6]. Более того, успешная реализация такого подхода в случае одномерной неоднородности дает основание рассматривать интерференционный эффект как существенный фактор при стабилизации большой орбиты электрона в конденсированной среде.
Поскольку модель должна работать и в предельном случае исчезновения среды, когда система положительно заряженного центра и электрона просто вырождается в атом, то на первом этапе попытка использовать диэлектрический подход как способ описания потерь энергии электроном на больших ридберговских орбитах (БР-орбитах) свелась к задаче о перенесении упомянутого явления интерференции в пленке конденсированного вещества на атом в вакууме. Такой переход от конденсированной среды к вакууму требовал введения некоторой, хотя бы условной, диэлектрической проницаемости с временной дисперсией для описания поля электрона в атоме в условиях вакуума и обоснования такого введения. Ниже демонстрируется попытка реализовать этот подход для описания механизма уменьшения потерь энергии электроном на БР-орбитах в конденсированной
среде. Везде имеется в виду, что речь идет о временной дисперсии диэлектрической проницаемости.
Введение диэлектрической проницаемости для электрона в атоме нужно рассматривать, прежде всего, как прием для описания квантованных орбит. Точка зрения автора состоит в том, что физические величины, которые используются ниже при описании, представляют собой некоторые средние величины, суть которых схожа с часто используемым упрощением какого-нибудь интеграла от сложного произведения функций путем вынесения среднего значения одной из функций из-под знака интеграла (например, [7]). То есть используемые физические величины, с одной стороны, имеют ограниченную область применения, с другой, не описывают буквально происходящих процессов. Использование ниже конкретного механизма планетарного движения электрона в атоме задает поэтому прежде всего единую логику рассуждений при выводе формул. В соответствии со сказанным, введение диэлектрической проницаемости для электрона в атоме и учет интерференции - это способ отражения факта одновременного существования заряда и "возбуждения" до их разделения на бесконечности.
ТЕОРИЯ
Первое соображение, которое дало толчок к описанию движения электрона в атоме путем введения диэлектрической проницаемости, состояло в том, что характер движения электрона в конденсированной среде, это, по существу, также движение в вакууме с центростремительным ускорением на коротких отрезках его "прямолинейной" траектории (используемой в описании при диэлектрическом подходе).
Запись потерь энергии на основании диэлектрического подхода отражает тот факт, что потери энергии излучателем электромагнитных волн (антенной) не зависят от типа носителей заряда и механизма проводимости в антенне [8]. Это дает основание не рассматривать механизм возникновения тормозящей силы, а сразу ее ввести через вспомогательное электрическое поле, тормозящее заряд, или, другими словами, через введение диэлектрической проницаемости. Нужно сказать, что эквивалентность динамического подхода к описанию взаимодействия электрона со средой и диэлектрического уже давно продемонстрирована работами Бора и его последователей, с одной стороны, и работами Тамма и Франка и их последователями, с другой. С этой точки зрения предлагаемый подход не представляет собой ничего необычного.
Далее, поляризационная "шуба" электрона в конденсированной среде [9] несет информацию об электромагнитных полях, соответствующих всем возбуждениям в конденсированной среде.
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОНА
Это можно обобщить в виде утверждения, что информация о всех возбуждениях системы, в которой находится рассматриваемый заряд, может быть записана через введение соответствующей поляризационной "шубы". Поэтому введение £ для описания "шубы" электрона в атоме дает возможность в принципе охарактеризовать возбуждения в атоме.
Выбор математической формы для описания состояний электрона основан на следующих соображениях. Поскольку в первом приближении допустимо классическое описание движения электрона, то мы всегда можем выделить малый участок траектории, на котором скорость электрона постоянна. В течение этого отрезка времени мы можем попытаться приписать движущемуся заряду те
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.